Занятие № 3. Обмен веществ и энергии в клетке
Цель занятия: ознакомиться с основными биохимическими процессами, протекающими в живом организме, сформировать представление о взаимосвязи процессов ассимиляции и диссимиляции в природе и организме.
Обмен веществ – основа жизнедеятельности каждой клетки и организма в целом. Для всех процессов, протекающих в клетке, нужна дополнительная энергия. Организмы способны использовать только два вида энергии: световую (фотосинтезирующие организмы – фототрофы) и энергию химических связей (хемотрофы). Главным структурным элементом органических молекул является углерод. В зависимости от источников его поступления, организмы делятся на две группы: автотрофы, использующие углерод неорганических соединений (СО2) и гетеротрофы, использующие органические соединения углерода. Процесс потребления вещества и энергии называется питанием. Пищевые вещества, попавшие в организм, вовлекаются в процессы метаболизма (рисунок 4). Химические превращения веществ в организме, сопровождающиеся потреблением энергии, в результате которых осуществляются реакции синтеза, называются процессами анаболизма (фотосинтез, синтез белка и т.д.). Реакции расщепления, идущие с высвобождением энергии называются процессами катаболизма (анаэробное и аэробное дыхание). Энергия, высвобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в форме аденозинотрифосфата (АТФ).
Фотосинтез – синтез органических веществ из неорганических, идущий с использованием энергии света. Ведущую роль играют светоулавливающие пигменты, в основном хлорофиллы, содержащиеся в пластидах растений – хлоропластах. Процесс складывается из двух фаз: световой, в ходе которой происходит фотолиз воды и выделение О2, в результате чего образуются продукты, необходимые в темновой фазе (АТФ и НАДФ Н), и собственно темновой фазы, где с помощью указанных продуктов СО2 восстанавливается до сахаров. Суммарная реакция фотосинтеза имеет вид:
Рисунок 4 – Схема обмена веществ
Гетеротрофная ассимиляция сводится к перестройке молекул: органические вещества пищи (белки, жиры, углеводы) простые органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, моносахара)макромолекулы тела (белки, жиры, углеводы).
Белок – основной строительный материал клетки и организма. Помимо этого, белки выполняют целый ряд функций.
Задание 1.
Заполните таблицу 5.
Таблица 5 – Типы и функции белков
Белки – полимеры, состоящие из мономеров – аминокислот. Аминокислот 20 и они универсальны для всех организмов. Ряд из них организм человека может синтезировать сам (они называются заменимыми), а некоторые должен получать с пищей (незаменимые).
Задание 2.
Цепочка аминокислот, соединенных пептидной связью, представляет собой первичную структуру белка. Как образуются вторичная, третичная и четвертичная его структуры (рисунок 5)?
Заполните таблицу 6.
Таблица 6 – Структура белка
Рисунок 5 – Структурная организация молекул белка
Синтез белка в клетке осуществляется по матричному принципу, информацию об одной полипептидной цепи несет один ген (участок ДНК), ее «считывает» мРНК и несет в цитоплазму, к рибосомам – «машинам для синтеза белка». В ходе трансляции происходит «перевод» этой информации с языка нуклеотидной последовательности на язык последовательности аминокислот. Аминокислоты строго в порядке, записанном на мРНК, доставляются в рибосому тРНК и там присоединяются к цепочке белка. Транспортные РНК, несущие каждая свою аминокислоту, попадают в рибосому по принципу кодон – антикодонного соответствия (рисунок 6).
Каждая аминокислота закодирована триплетным кодом – тройками нуклеотидов на мРНК (таблица 7).
Рисунок 6 – Синтез белка
Задание 3.
Решите задачи:
а) Участок мРНК имеет последовательность нуклеотидов: …ААГЦАГГУУУУГГ… Определите аминокислотную последовательность закодированного здесь участка белковой молекулы.
б) Фрагмент цепи ДНК имеет вид ..ГААГАГЦЦАГЦАГАГАГААГГГА… Какие аминокислоты закодированы в этом участке ДНК (следует вспомнить правила транскрипции).
в) Фрагмент белка Д имеет следующий состав аминокислот: …мет-фен-тир-асп-гис-гис… Напишите нуклеотидный состав мРНК и ДНК, в которых закодирован данный белок.
Диссимиляция осуществляется в два этапа. Первый этап – бескислородное дыхание, неполное окисление глюкозы – гликолиз. Это ферментативный процесс расщепления шестиуглеродной глюкозы до двух трехуглеродных молекул пировиноградной кислоты.
Образовавшийся пируват может включаться в разные типы брожения в зависимости от условий (спиртовое, уксуснокислое, молочное, пропионовокислое). А при наличии в среде кислорода пируват расщепляется до конечных продуктов – это кислородное дыхание. Процесс протекает в митохондриях и называется циклом трикарбоновых кислот (или циклом Кребса). Суммарное уравнение дыхания:
6Н
12О
6 + 6О
2 6Н
2О + 6СО
2 +38АТФ
Таблица 7 – Коды аминокислот
Задание 4.
а) Сравните суммарные уравнения фотосинтеза и полного цикла дыхания и сделайте вывод.
б) Рассмотрите на схеме (рисунок 7) ход диссимиляции. Отметьте основные этапы.
Рисунок 7 – Схема диссимиляции
Проверьте себя, решив тестовые задания:
1. Укажите среди перечисленных ниже веществ те, которые выполняют «строительную» функцию в клетках разных организмов (выберите ответ): а) глюкоза; б) жиры; в) белки; г) нуклеиновые кислоты; д) вода.
2. Найдите среди приведенных ниже названий веществ те, которые являются углеводами: а) триолеин; б) пепсин; в) яичный альбумин; г) глюкоза; д) гликоген; е) глицин; ж) сахароза.
3. Выберете среди перечисленных функций те, которые характерны для белков: а) несут сведения о признаках организма; б) являются веществами, из которых построены наиболее важные структуры клетки; в) входят в состав ферментов (биологических катализаторов; г) являются матрицей для синтеза мРНК; д) являются источником энергии для организмов, т.к. при их окислении выделяется энергия.
Контрольные вопросы:
1. В каких частях клетки происходят этапы энергообмена?
2. Объясните, почему потребление избыточного количества пищи приводит к ожирению?
3. Объясните потребность большинства живых организмов в кислороде.